Automic Physics原子物理学第六章,x射线第一节 x射线的发现第二节 x射线的产生机制第三节 Compton散射第四节 x射线的吸收第一节,X射线的发现在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。
1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：
,气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”
他还认为，
,同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”
从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页第六章
:
X
射线首页那么,线度大约在 的原子是否真的不可再分割了？
十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。
它们是：
1010 m?
1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现 X射线；
1896年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）
发现了放射性；
1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页在 1895年以前，由阴极射线管产生的 X射线在实验里已经存在了 30多年，在射线发现前，
不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。
如 1879年的克鲁克斯,1890年的古德斯比德等人，
但发现 X 射线的却是伦琴。
1869年在苏黎世大学获博士学位。
1845年出生于德国的一个商人家庭，
X射线的发现伦琴第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页
1895年 11月 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，
他用黑纸板将管子包起来，
却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，
经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。
6( ( ) )BaPt C N
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，
荧光屏仍然发光，
而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，
不被电磁场偏转。
经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，
因此赋予它一个神秘的名字
--X射线。
1895年 12月 28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于 X射线的论文,,论新的射线,,并公布了他夫人的 X射线手骨照片。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了 X射线研究热,1896年关于 X射线的研究论文高达 1000多篇,
对 X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清 X射线产生的机制。
他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出 X射线呢？
于是他把一块荧光物质（铀的化合物 --钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，
然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？
他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，
同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。
1896年 3月 2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。
放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样,,科学家的 ‘ 灵感 ’ 对科学家的发现 ‘ 非常重要 ’ ；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。,
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到 X射线，其波长因高太的不同而异。
当 称 硬 X射线；
称 软 X射线。
68(1 0 1 0 )mmHg
0.1 1nm A
0.1 1nm A当
X射线的发现
X射线的产生第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
X射线的性质
1） X射线能使照相底片感光；
2） X射线有很大的贯穿本领；
3） X射线能使某些物质的原子、分子电离；
4） X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；
5） X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页第二节,X射线的产生机制另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为 标识谱,又叫 特征谱 --它迭加在连续谱上。
下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。
实验表明,X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为 连续谱 ；
连续谱标示谱第六章
:
X
射线上一页 下一页首页连续谱 — 轫致辐射
1、连续谱的特征在上述产生 X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。
1）连续谱与管压的关系（ 靶不变 ）
前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，
以 λ为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长 — 强度分布曲线。
由图可见，当阳极材料不变时,和随管压 V的升高都向短波方向移动。
min? maxI
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
min?
2）连续谱与阳极材料的关系（ 电压不变 ）
前图表示管压为 35KV时，用钼和钨作靶材料时的 I～ λ 曲线。由图可见 与靶无关。是由 管压 V决定的。
连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从 骤减为 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生 X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。
0v
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2012hv mv E损
0E?损
2
m a x 0
1
2h v m v?
设电子入射速度,在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程中的能量差为,
则根据上面的分析,将以光子的形式向外辐射；
由于 是连续变化的，而 是一定的，
所以 连续变化,
E损
0v
E?
212E m v E 损
E?
E损 0v
E?
即式 中,v是连续的，作为极限情况，
则从而得到
max
，
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
= ev (1)
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212hv m v W 逸
min
上式表明，电子在电压 V下加速而获得能量并全部转化为辐射时由此得：
（ 1）式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的 Einstein方程是：
当金属的逸出功能很小时，近似的有：
这与（ 1）式在形式上是完全相同的。
因此,X射线连续谱可称为光电效应的 逆效应 。
212hv mv?
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
(2)
min
hc
1.24()nmV KV
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1
标识辐射 — 线状谱
———— 它是迭加在连续谱上的分立谱线
１,线状谱的特征
,,,K K K
,,,L L L
不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为 K,L,M, 等线系；且谱线具有精细结构,K系分为； L系分为 等；
改变靶物质时，随 Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；?2
连续谱标示谱第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
3 某元素的标识谱与的化合状态无关；
对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。
4
2.线状谱产生的机制通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：
1） 线状谱产生于原子内层电子的跃迁。
2） 产生线状谱的条件是：
a.在原子的内层能级上有电子空位；
b.其他壳层上电子向空位跃迁。
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离,从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了 X射线的标识谱。
3.定律 --线状谱的定量计算
1913年，英国物理学家 Moseley通过对不同元素（不同 Z）的 X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的 38种元素）,发现一个规律：
对同一线系的某条谱线来说，不同元素的 X射线频率的平方根与原子序数 Z成线性关系，变即
v kZ b,比喻对 K?
线,Moseley得到一个经验公式
1 6 20,2 4 8 1 0 ( 1 ) ( )Kv Z H z（ 1）
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2
2
()
n
ZE Rhc n
Khv 21EE
事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中 n能级的状态相似，所以 n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：
式中 ζ 反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是 Z-ζ,这样当 n=2上的电子向 n=1跃迁产生 K? 线时，我们有实验表明 1,将其余常数代入得
Kv
（ 2）
（ 3）
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
2 2211( ) ( )12R h c Z
1 6 20,2 4 6 1 0 ( 1 ) ( )Z H z
上一页 下一页首页
4.线状谱的标记方法前面提到,X射线标识谱分为 K,L,M, 等线系，每一系的谱线也分,α,β,γ,δ,ε,
等。但是，能级并不只与主量子数 n有关。还与 l,j有关，所以谱线被标记为
,,( 1,2,)iiK K i等。
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
k l M
5、标识谱产生的其它效应
1） 俄歇 (Auger)电子当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生 X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称 Auger L电子。
比如,L电子向 K层跃迁所产生能量将 M电子
kE? kL
电离，则相应的俄歇电子动能为：
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
kME
上一页 下一页首页其中分别是 K,L,M壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，
所以也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。
因此 Auger电子测量可作为分析元素的手段之一；
k? L? M?
kE
、,
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2） 核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。
以上两个效应，分别是法国物理学家 Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。
电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。
同步辐射第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页第三节,Compton散射前面我们讨论了 X射线波的一面，事实上,X
射线还有粒子性的一面，下面
1.我们将要讨论的是 X射线的粒子性。
按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。
然而 Compton在 X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的 X射线中，除了与入射 X射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分 X射线的波长因散射角的不同而异。
—— 这被称作 Compton 效应。
它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。
光子的描述量子的解释有关的讨论第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
E hv?
2E?
p?
光子的能量的动量：
按照 Einstein的光子理论，光子的能量为按相对论的能量关系对于光子
0 0m?
所以光子动量第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论
2 4 2 20m c c p?
E cp?
E
c?
h
上一页 下一页首页
ep p p
Compton 认为,X射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。
Compton 散射设入射光子能量为 hv，动量,散射光子能量为 动量 ；初时电子静止，散射后质量 m，动量则守恒关系为,其中写成标量式后，上式化为：
p
hv? p?
ep?
22
0hv m c hv m cm?
光子的描述量子的解释有关的讨论第三节,Compton散射第六章
:
X
射线
0
221/
m
vc?
上一页 下一页首页
2
0
221/
mchv
vc
0
22c os c os1/
mvh
vc
0
22sin sin1/
mvh
vc
由这组方程可解得此式可变为
Compton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。下面我们将对此进行讨论。
20hv m c
h
0?
11
hv hv
（ 1）
（ 2）
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论
0
(1 cos )hmc
2
0
1 (1 c o s )
mc
上一页 下一页首页
1.在（ 1）式中，令 90 得
0
0,0 0 2 4 2 6h nmmc
，称为 Compton波长, 的表达式可见
与 λ 无关，不论 λ 多少, 对实际
；在给定方向测量,θ 一定, 一定；所以 λ 越小，
才越大； ( 0.1 )nm 的 X射线，
而对可见光,λ 很大,
经典理论与实验符合的很好。
Compton解释的讨论很小，
所以通常情况下，观察不到这种波长的改变，
由是一定的；
测量来说，有意义的测量是所以只对波长较短的才大到足以被观察的程度。
光子的描述量子的解释有关的讨论第三节,Compton散射第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
2.散射光的能量与入射光波长密切相关
（ 2）式可改写为
20
1 1 1 (1 c o s )
E E m c
（ 3）
由此可见 EE ；除 0 之外，
E? 随 E 的增大程度是受到一定限制的，
90,20E m c例如
3.在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在,通常定义
0
的散射为 相干散射,否则为 非相干散射 。
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论上一页 下一页首页
0
事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层束缚电子发生作用，却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散射，此时
表达式变为 (1 c o s )hMc,由于
0Mm
，故 0
这便出现了相干散射。
的微观机制是什么呢？
4,Compton波长的测量，为我们提供了另一种测量 Planck常数的方法。
，
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论上一页 下一页首页第四节,X射线的吸收
X射线通过物质时，我们将 X射线称为光子，
则根据光子能量（ hv）的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况：
1,X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，
而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电效应”的电子可以是自由电子，也可以是束缚电子。光子能量 hv不太大是发生这种相互作用；
2,X射线通过物质后，波长和能量发生改变，
此称 compton效应；当 hv增大时，发生 compton
效应；
X射线与物质的作用定量计算吸收限第六章
:
X
射线上一页 下一页首页以上三种效应不光与光子的 能量 有关，还与靶的 原子序数 有关。
光子能 hv大于电子静止质量的两倍时（
1.02Mev），光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作 电子偶效应 ；
3、
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页
1.强度表达式
0I
0() xI x I e
可见强度 I(x)随 厚度 x指数衰减 。
设一束 X射线，射向吸收体前强度是,
通过厚度为 dx的吸收体后，强度增量为 dI，
减少量 -dI将正比于 dx和通过 dx时的强度 I，
若取比例系数为 μ,
则 -dI=μ I（ x） dx
两边积分得 (1)
X射线与物质的作用定量计算吸收限第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
（ 1）线性吸收系数
1?cm
称其为线性吸收系数。通常定义 1x
时的 x为吸收长度，即吸收长度 1
它表示透射粒子占入射粒子 70%时吸收体的厚度。
2.关于吸收系数的讨论
(1)式中,x单位,cm,μ单位：；
，
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数
,其中 ρ 是吸收体密度。
( )( )
0()
xI x I e
式中 称为质量厚度，单位是 2/cmmg
,?
称为质量吸收系数，单位为 mgcm /2
（ 2） 质量吸收系数则（ 1）式化为：
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页由前面的讨论可知,X射线同物质的作用有三种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三种效应的迭加，即：
光电 康 对偶描绘出 随 X射线能量的变化曲线是分析吸收体的常用方法。
（ 3）总吸收系数第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页在 μ — E图中，在某一个能量 E处,μ 发声突变，称之为吸收限。
2.吸收限的应用
1.吸收限产生吸收限的原因是：
当 X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。
X射线与物质的作用定量计算吸收限第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线上一页 下一页首页应用 1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的 X射线,
原理：我们知道，产生 KX射线的阈能总要大于该元素本身 KX射线的能量。而某物质的 KX
线的阈能正是该物质 μ— E图上 K吸收限的能量 。
因此,该物质的 KX射线的能量位置，必定在
K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页
K?
根据这个原理，我们用该元素成一个薄片,放在 x射线的光路上，就可以使 kx线顺利通过，而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些频率
x射线的作用。
比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现 Cu和 Zn的特征 射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，
由于 λ (Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，
而 λ (Zn)的能量比它高，将会被吸收。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页应用 2.在心血管造影术上的应用心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。
在血管中注入造影剂碘（ ）； I对 X射线吸收要比肌肉、骨骼对 X射线吸收强得多。
因此，在 X光照射下，哪里血管有阻塞,I无法达到，
哪里就能被显示出来。
131I
它的原理是：
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页但这种方法要求有较大浓度才能造影,所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。
新的造影术利用碘的 K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量 的 X射线分别造影；
分别在 K吸收限的上下端，相差很小，则 吸收系数很小,吸收系数很大，对两次造影的 μ进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响
12,EE
12,EE 1E
2E
。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。
剩下的仅是碘对 μ射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，
说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。
采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页第六章,X射线
1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：
,气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”
他还认为，
,同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”
从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页第六章
:
X
射线首页那么,线度大约在 的原子是否真的不可再分割了？
十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。
它们是：
1010 m?
1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现 X射线；
1896年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）
发现了放射性；
1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页在 1895年以前，由阴极射线管产生的 X射线在实验里已经存在了 30多年，在射线发现前，
不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。
如 1879年的克鲁克斯,1890年的古德斯比德等人，
但发现 X 射线的却是伦琴。
1869年在苏黎世大学获博士学位。
1845年出生于德国的一个商人家庭，
X射线的发现伦琴第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页
1895年 11月 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，
他用黑纸板将管子包起来，
却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，
经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。
6( ( ) )BaPt C N
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，
荧光屏仍然发光，
而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，
不被电磁场偏转。
经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，
因此赋予它一个神秘的名字
--X射线。
1895年 12月 28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于 X射线的论文,,论新的射线,,并公布了他夫人的 X射线手骨照片。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了 X射线研究热,1896年关于 X射线的研究论文高达 1000多篇,
对 X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清 X射线产生的机制。
他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出 X射线呢？
于是他把一块荧光物质（铀的化合物 --钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，
然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？
他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，
同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。
1896年 3月 2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。
放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样,,科学家的 ‘ 灵感 ’ 对科学家的发现 ‘ 非常重要 ’ ；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。,
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到 X射线，其波长因高太的不同而异。
当 称 硬 X射线；
称 软 X射线。
68(1 0 1 0 )mmHg
0.1 1nm A
0.1 1nm A当
X射线的发现
X射线的产生第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
X射线的性质
1） X射线能使照相底片感光；
2） X射线有很大的贯穿本领；
3） X射线能使某些物质的原子、分子电离；
4） X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；
5） X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。
第一节,X射线的发现第六章
:
X
射线
X射线的发现
X射线的产生上一页 下一页首页第二节,X射线的产生机制另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为 标识谱,又叫 特征谱 --它迭加在连续谱上。
下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。
实验表明,X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为 连续谱 ；
连续谱标示谱第六章
:
X
射线上一页 下一页首页连续谱 — 轫致辐射
1、连续谱的特征在上述产生 X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。
1）连续谱与管压的关系（ 靶不变 ）
前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，
以 λ为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长 — 强度分布曲线。
由图可见，当阳极材料不变时,和随管压 V的升高都向短波方向移动。
min? maxI
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
min?
2）连续谱与阳极材料的关系（ 电压不变 ）
前图表示管压为 35KV时，用钼和钨作靶材料时的 I～ λ 曲线。由图可见 与靶无关。是由 管压 V决定的。
连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从 骤减为 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生 X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。
0v
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2012hv mv E损
0E?损
2
m a x 0
1
2h v m v?
设电子入射速度,在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程中的能量差为,
则根据上面的分析,将以光子的形式向外辐射；
由于 是连续变化的，而 是一定的，
所以 连续变化,
E损
0v
E?
212E m v E 损
E?
E损 0v
E?
即式 中,v是连续的，作为极限情况，
则从而得到
max
，
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
= ev (1)
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212hv m v W 逸
min
上式表明，电子在电压 V下加速而获得能量并全部转化为辐射时由此得：
（ 1）式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的 Einstein方程是：
当金属的逸出功能很小时，近似的有：
这与（ 1）式在形式上是完全相同的。
因此,X射线连续谱可称为光电效应的 逆效应 。
212hv mv?
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
(2)
min
hc
1.24()nmV KV
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1
标识辐射 — 线状谱
———— 它是迭加在连续谱上的分立谱线
１,线状谱的特征
,,,K K K
,,,L L L
不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为 K,L,M, 等线系；且谱线具有精细结构,K系分为； L系分为 等；
改变靶物质时，随 Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；?2
连续谱标示谱第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
3 某元素的标识谱与的化合状态无关；
对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。
4
2.线状谱产生的机制通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：
1） 线状谱产生于原子内层电子的跃迁。
2） 产生线状谱的条件是：
a.在原子的内层能级上有电子空位；
b.其他壳层上电子向空位跃迁。
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离,从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了 X射线的标识谱。
3.定律 --线状谱的定量计算
1913年，英国物理学家 Moseley通过对不同元素（不同 Z）的 X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的 38种元素）,发现一个规律：
对同一线系的某条谱线来说，不同元素的 X射线频率的平方根与原子序数 Z成线性关系，变即
v kZ b,比喻对 K?
线,Moseley得到一个经验公式
1 6 20,2 4 8 1 0 ( 1 ) ( )Kv Z H z（ 1）
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2
2
()
n
ZE Rhc n
Khv 21EE
事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中 n能级的状态相似，所以 n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：
式中 ζ 反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是 Z-ζ,这样当 n=2上的电子向 n=1跃迁产生 K? 线时，我们有实验表明 1,将其余常数代入得
Kv
（ 2）
（ 3）
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
2 2211( ) ( )12R h c Z
1 6 20,2 4 6 1 0 ( 1 ) ( )Z H z
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4.线状谱的标记方法前面提到,X射线标识谱分为 K,L,M, 等线系，每一系的谱线也分,α,β,γ,δ,ε,
等。但是，能级并不只与主量子数 n有关。还与 l,j有关，所以谱线被标记为
,,( 1,2,)iiK K i等。
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
k l M
5、标识谱产生的其它效应
1） 俄歇 (Auger)电子当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生 X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称 Auger L电子。
比如,L电子向 K层跃迁所产生能量将 M电子
kE? kL
电离，则相应的俄歇电子动能为：
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱
kME
上一页 下一页首页其中分别是 K,L,M壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，
所以也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。
因此 Auger电子测量可作为分析元素的手段之一；
k? L? M?
kE
、,
第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页
2） 核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。
以上两个效应，分别是法国物理学家 Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。
电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。
同步辐射第二节,X射线的产生机制第六章
:
X
射线连续谱标示谱上一页 下一页首页第三节,Compton散射前面我们讨论了 X射线波的一面，事实上,X
射线还有粒子性的一面，下面
1.我们将要讨论的是 X射线的粒子性。
按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。
然而 Compton在 X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的 X射线中，除了与入射 X射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分 X射线的波长因散射角的不同而异。
—— 这被称作 Compton 效应。
它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。
光子的描述量子的解释有关的讨论第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
E hv?
2E?
p?
光子的能量的动量：
按照 Einstein的光子理论，光子的能量为按相对论的能量关系对于光子
0 0m?
所以光子动量第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论
2 4 2 20m c c p?
E cp?
E
c?
h
上一页 下一页首页
ep p p
Compton 认为,X射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。
Compton 散射设入射光子能量为 hv，动量,散射光子能量为 动量 ；初时电子静止，散射后质量 m，动量则守恒关系为,其中写成标量式后，上式化为：
p
hv? p?
ep?
22
0hv m c hv m cm?
光子的描述量子的解释有关的讨论第三节,Compton散射第六章
:
X
射线
0
221/
m
vc?
上一页 下一页首页
2
0
221/
mchv
vc
0
22c os c os1/
mvh
vc
0
22sin sin1/
mvh
vc
由这组方程可解得此式可变为
Compton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。下面我们将对此进行讨论。
20hv m c
h
0?
11
hv hv
（ 1）
（ 2）
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论
0
(1 cos )hmc
2
0
1 (1 c o s )
mc
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1.在（ 1）式中，令 90 得
0
0,0 0 2 4 2 6h nmmc
，称为 Compton波长, 的表达式可见
与 λ 无关，不论 λ 多少, 对实际
；在给定方向测量,θ 一定, 一定；所以 λ 越小，
才越大； ( 0.1 )nm 的 X射线，
而对可见光,λ 很大,
经典理论与实验符合的很好。
Compton解释的讨论很小，
所以通常情况下，观察不到这种波长的改变，
由是一定的；
测量来说，有意义的测量是所以只对波长较短的才大到足以被观察的程度。
光子的描述量子的解释有关的讨论第三节,Compton散射第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
2.散射光的能量与入射光波长密切相关
（ 2）式可改写为
20
1 1 1 (1 c o s )
E E m c
（ 3）
由此可见 EE ；除 0 之外，
E? 随 E 的增大程度是受到一定限制的，
90,20E m c例如
3.在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在,通常定义
0
的散射为 相干散射,否则为 非相干散射 。
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论上一页 下一页首页
0
事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层束缚电子发生作用，却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散射，此时
表达式变为 (1 c o s )hMc,由于
0Mm
，故 0
这便出现了相干散射。
的微观机制是什么呢？
4,Compton波长的测量，为我们提供了另一种测量 Planck常数的方法。
，
第三节,Compton散射第六章
:
X
射线光子的描述量子的解释有关的讨论上一页 下一页首页第四节,X射线的吸收
X射线通过物质时，我们将 X射线称为光子，
则根据光子能量（ hv）的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况：
1,X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，
而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电效应”的电子可以是自由电子，也可以是束缚电子。光子能量 hv不太大是发生这种相互作用；
2,X射线通过物质后，波长和能量发生改变，
此称 compton效应；当 hv增大时，发生 compton
效应；
X射线与物质的作用定量计算吸收限第六章
:
X
射线上一页 下一页首页以上三种效应不光与光子的 能量 有关，还与靶的 原子序数 有关。
光子能 hv大于电子静止质量的两倍时（
1.02Mev），光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作 电子偶效应 ；
3、
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页
1.强度表达式
0I
0() xI x I e
可见强度 I(x)随 厚度 x指数衰减 。
设一束 X射线，射向吸收体前强度是,
通过厚度为 dx的吸收体后，强度增量为 dI，
减少量 -dI将正比于 dx和通过 dx时的强度 I，
若取比例系数为 μ,
则 -dI=μ I（ x） dx
两边积分得 (1)
X射线与物质的作用定量计算吸收限第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线上一页 下一页首页
（ 1）线性吸收系数
1?cm
称其为线性吸收系数。通常定义 1x
时的 x为吸收长度，即吸收长度 1
它表示透射粒子占入射粒子 70%时吸收体的厚度。
2.关于吸收系数的讨论
(1)式中,x单位,cm,μ单位：；
，
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数
,其中 ρ 是吸收体密度。
( )( )
0()
xI x I e
式中 称为质量厚度，单位是 2/cmmg
,?
称为质量吸收系数，单位为 mgcm /2
（ 2） 质量吸收系数则（ 1）式化为：
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页由前面的讨论可知,X射线同物质的作用有三种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三种效应的迭加，即：
光电 康 对偶描绘出 随 X射线能量的变化曲线是分析吸收体的常用方法。
（ 3）总吸收系数第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页在 μ — E图中，在某一个能量 E处,μ 发声突变，称之为吸收限。
2.吸收限的应用
1.吸收限产生吸收限的原因是：
当 X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。
X射线与物质的作用定量计算吸收限第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线上一页 下一页首页应用 1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的 X射线,
原理：我们知道，产生 KX射线的阈能总要大于该元素本身 KX射线的能量。而某物质的 KX
线的阈能正是该物质 μ— E图上 K吸收限的能量 。
因此,该物质的 KX射线的能量位置，必定在
K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页
K?
根据这个原理，我们用该元素成一个薄片,放在 x射线的光路上，就可以使 kx线顺利通过，而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些频率
x射线的作用。
比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现 Cu和 Zn的特征 射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，
由于 λ (Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，
而 λ (Zn)的能量比它高，将会被吸收。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页应用 2.在心血管造影术上的应用心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。
在血管中注入造影剂碘（ ）； I对 X射线吸收要比肌肉、骨骼对 X射线吸收强得多。
因此，在 X光照射下，哪里血管有阻塞,I无法达到，
哪里就能被显示出来。
131I
它的原理是：
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页但这种方法要求有较大浓度才能造影,所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。
新的造影术利用碘的 K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量 的 X射线分别造影；
分别在 K吸收限的上下端，相差很小，则 吸收系数很小,吸收系数很大，对两次造影的 μ进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响
12,EE
12,EE 1E
2E
。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。
剩下的仅是碘对 μ射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，
说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。
采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。
第四节,X射线的吸收第六章
:
X
射线
X射线与物质的作用定量计算吸收限上一页 下一页首页第六章,X射线
